ДАТЧИК ПАРАМЕТРОВ МЕХАНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ Российский патент 2000 года по МПК G01P15/08 G01P3/42 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам измерения скорости или ускорения, предназначенным для обнаружения, регистрации и контроля малых механических колебаний инфранизкочастотного и низкочастотного диапазона, например, в сейсмологии, в управлении аэрокосмическими и морскими объектами, при контроле состояния крупноразмерных сооружений (плотин, шахт, мостов, зданий), в охранной сигнализации.

Известны диффузионные датчики параметров механических колебаний, чувствительным элементом которых является диффузионный преобразователь, представляющий собой расположенные в диэлектрическом корпусе узкий рабочий канал с электродами и электролитом, создающими обратимую окислительно-восстановительную электрохимическую систему. (Введение в молекулярную электронику. Ред. Е. С. Лидоренко. М.: Энергоатомиздат, 1984, с.235-274). В заполненном электролитом корпусе, имеющем вид замкнутой трубки или трубки с упругими элементами на торцах, воздействующее на датчик ускорение создает перепад давления на краях диффузионного преобразователя, вызывающий движение электролита в рабочем канале, которое преобразуется во взаимно противоположные изменения катодных токов. (М.Л. Фиш, Ю.В.Лаптев. Диффузионные преобразователи неэлектрических величин. Киев: Техника, 1979, с.56-61). В состав датчика входит также электронное устройство, обычно содержащее преобразователь разности катодных токов в напряжение, а также цепи частотной и температурной коррекции.

Достоинствами диффузионных датчиков являются высокая чувствительность при небольших габаритах и весе, простота конструкции, малое потребление энергии, отсутствие подвижных деталей, обеспечивающее высокую надежность, ударную и вибрационную прочность.

Недостатком диффузионных датчиков является существенная зависимость коэффициента передача от температуры T (порядка 2,5% на градус) и частоты ω, в результате чего датчик имеет весьма ограниченный диапазон рабочих частот, лимитируемый сверху инерционностью диффузионного преобразователя. Значительная неравномерность частотных характеристик диффузионных датчиков приводит к существенным искажениям сигнала на выходе и даже может создавать затруднения в качественной интерпретации получаемой информации, поскольку из-за больших фазовых сдвигов отклика (от 0 до π/2 более по отношению к воздействующему ускорению) диффузионный датчик фактически является измерителем ускорения лишь в области низших частот, а в более высокочастотной области становится измерителем скорости (при фазовых сдвигах ближе к π/2 ).

Устройство частотной и температурной коррекции, очевидно, может эффективно устранять указанные недостатки при условии, что комплексный коэффициент передачи этого устройства

где K₁ - коэффициент передачи диффузионного преобразователя. Однако сложная и сильная зависимость от ω и T позволяет реализовать это условие с приемлемой простотой лишь в весьма ограниченной области частот и температур. В то же время диапазон температур, в которой сохраняется работоспособность диффузионных датчиков, достаточно широка и может составлять ± 60^oC.

В качестве прототипа изобретения выбран преобразователь параметров механического движения, содержащий корпус, внутри которого размещен диффузионный преобразователь потока электролита, инерционную массу, закрепленную на упругом подвесе и соединенную с мембранами диффузионного преобразователя, при этом преобразователь потока электролита подвешен в корпусе посредством плоских пружин и выполнен в виде двух концентрично размещенных камер, заполненных электролитом, ограниченных сверху мембранами, одна из которых жестким центром соединена с основанием, и сообщенных между собой измерительным каналом с электродами, причем канал выполнен на дне центральной камеры, а в периферийной камере на уровне первого канала размещен дополнительный измерительный канал, идентичный первому.

Недостатками прототипа являются: 1. Зависимость коэффициента передачи преобразователя от температуры. Этот недостаток присущ практически всем диффузионным преобразователям. 2. Малый диапазон рабочих частот.

Технической задачей изобретения является значительное уменьшение температурной зависимости коэффициента передачи и расширение диапазонов частот, при которых диффузионный датчик является измерителем скорости и измерителем ускорения.

Решение технической задачи достигается тем, что в датчик параметров механических колебаний, содержащий заполненный электролитом диэлектрический корпус с диффузионным преобразователем, преобразователь электрического сигнала в механический и усилитель дополнительно введены преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон, дифференциатор и преобразователь напряжение-ток, а в качестве преобразователя электрического сигнала в механический используется магнитогидродинамический преобразователь, размещенный в корпусе с электролитом, при этом диффузионный преобразователь, преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон и усилитель соединены последовательно, дифференциатор соединен последовательно с преобразователем напряжение-ток, выход которого соединен со входом магнитогидродинамического преобразователя, выход магнитогидродинамического преобразователя соединен со входом диффузионного преобразователя, а выход усилителя, являющийся выходом диффузионного датчика, соединен через переключатель со входом дифференциатора при измерении скорости или со входом преобразователя напряжение-ток при измерении ускорения.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как предложенные отличительные признаки позволяют получить новое "свойство" - значительное уменьшение температурной зависимости коэффициента передачи и расширение частотных диапазонов при прямом измерений как скорости, так и ускорения колебаний.

На фиг. 1 приведена функциональная схема, отображающая принцип работы предложенного диффузионного датчика параметров механических колебаний. Схема содержит встроенные в корпус с электролитом диффузионный преобразователь 1 и магнитогидродинамический преобразователь 2, последовательно включенные с диффузионным преобразователем и между собой преобразователь разность токов - напряжение 3, устройство коррекции 4, оптрон 5 и усилитель 6, а также последовательно включенные дифференциатор 7 и преобразователь напряжение-ток 8, при этом выход последнего соединен с входом преобразователя 2, а выход усилителя, являющийся и выходом датчика, соединен через переключатель 9 либо с входом дифференциатора (переключатель в положении 10), либо с входом преобразователя 8 (переключатель в положении 11).

Работа предложенного устройства состоит в следующем.

Воздействующее на датчик колебание создает на входе диффузионного преобразователя 1 перепад давления Δ P_a = K_p•a, пропорциональный ускорению а. На этом же входе действует перепад давления Δ P_j, создаваемый магнитогидродинамическим преобразователем 2, направление тока на его входе выбирается так, чтобы Δ P_j был противоположен Разность перепадов преобразователях 1 и 3 преобразуется вначале в разность катодных токов, а затем в напряжение, которое после частотной и температурной коррекции в устройстве 4 поступает на вход оптрона 5, осуществляющего электрическую развязку преобразователей 1 и 2. Выходное напряжение оптрона 5 после усиления в усилителе 6 поступает на выход датчика. Одновременно это напряжение через переключатель 9 поступает либо на вход дифференциатора 7 и с его выхода - на вход преобразователя напряжение-ток 8 (при работе датчика в качестве измерителя скорости, переключатель - в положение 10), либо напрямую на вход преобразователя напряжение-ток 8 (при работе датчика в качестве измерителя ускорения, переключатель в положений 11). После прохождения через преобразователь напряжение-ток 8 сигнал в виде входного тока поступает на электродную пару магнитогидродинамического преобразователя 2. Вторая пара его электродов, как и в прототипе, может быть использована для калибровки датчика (на схеме фиг. 1 не показана).

С учетом того, что температурная нестабильность диффузионного датчика и неравномерность его частотной характеристики со стороны верхних частот практически определяются свойствами диффузионного преобразователя, для предлагаемой схемы датчика комплексный коэффициент передачи по ускорению в положении 10 переключателя описывается соотношением

а при положении 11 переключателя - таким же соотношением, но без коэффициента Здесь буквой K с соответствующими цифровыми индексами обозначены коэффициенты передачи функциональных элементов схемы. Параметры этих элементов в рабочем диапазоне частот и температур должны выбираться, исходя из требования, чтобы модуль произведения коэффициентов преобразования в знаменателе (2) был много больше единицы. В этом случае с учетом того, что K_Д= const, и того что коэффициент передачи при измерении скорости равен из соотношения (2) следует: при переключателе 9 в положении 10

При переключателе 9 в положении 11

Поскольку по сравнению с K₁( ω, T) частотной и температурной зависимостью K_p, K₂ и K₈ можно пренебречь, соотношения (3) и (4) показывают, что предлагаемая схема диффузионного датчика позволяет проводить измерение как скорости, так и ускорения при независимом от частоты и температуры коэффициенте преобразования в диапазонах ω и T, при которых соблюдается вышеуказанное требование. В принципе данная схема может эффективно работать и без устройства коррекции 4. Однако это устройство позволяет расширить область подавления частотной и температурной зависимости диффузионного преобразователя. При этом к этому устройству вместо сложно реализуемого условия (1) предъявляется более простое вышеуказанное требование: способствовать тому, чтобы модуль произведения в знаменателе (2) был много больше единицы в возможно большем диапазоне частот и температур. Важно отметить, что в положении 10 переключателя данное условие на практике выполняется в более высокочастотной области, чем при положении 11 переключателя. Это означает, что предлагаемый датчик может использоваться в качестве прямого измерителя скорости с равномерной частотной характеристикой в области более высоких частот по сравнению) с диапазоном частот, где он может использоваться как измеритель ускорения.

На основе всего изложенного можно заключить, что предложенное техническое решение обладает существенными преимуществами перед прототипом, а именно - более широким диапазоном частот по скорости и ускорению, а также низким температурным коэффициентом. Предварительные теоретические и экспериментальные оценки показали, что при правильном выборе параметров схемы она позволяет более чем на порядок расширить частотный диапазон и снизить температурный коэффициент диффузионного датчика без нарушения устойчивости его работы.

Датчик предназначен для обнаружения, регистрации и контроля малых механических колебаний инфранизкочастотного и низкочастотного диапазонов, например, в сейсмологии, в управлении аэрокосмическими и морскими объектами, при контроле состояния крупноразмерных сооружений (плотин, шахт, мостов, зданий), в охранной сигнализации. Датчик содержит встроенные в корпус с электролитом диффузионный и магнитогидродинамический преобразователи, последовательно включенные с диффузионным преобразователем и между собой преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон и усилитель, а также последовательно включенные дифференциатор и преобразователь напряжение - ток, при этом выход последнего соединен с входом магнитогидродинамического преобразователя, а выход усилителя, являющийся и выходом датчика, соединен через переключатель либо с входом дифференциатора, либо с входом преобразователя напряжение - ток. Обеспечивается уменьшение температурной зависимости коэффициента передачи и расширение диапазонов частот. 1 ил.

Датчик параметров механических колебаний, содержащий заполненный электролитом диэлектрический корпус с диффузионным преобразователем, преобразователь электрического сигнала в механический и усилитель, отличающийся тем, что в него введены преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон, дифференциатор и преобразователь напряжение - ток, а в качестве преобразователя электрического сигнала в механический используется магнитогидродинамический преобразователь, размещенный в корпусе с электролитом, при этом диффузионный преобразователь, преобразователь разность токов - напряжение, устройство коррекции, оптрон и усилитель соединены последовательно, дифференциатор соединен последовательно с преобразователем напряжение - ток, выход которого соединен с входом магнитогидродинамического преобразователя, выход магнитогидродинамического преобразователя соединен с входом диффузионного преобразователя, а выход усилителя, являющийся выходом датчика, соединен через переключатель с входом дифференциатора при изменении скорости или с входом преобразователя напряжение - ток при измерении ускорения.